探索微纳尺度润湿动力学:长针式原子力显微镜的应用与进展

“如何在微观层面测量界面现象”是微纳尺度实验流体力学的关键科学问题,被列入世界前沿125个科学问题名单(Sanders S,Science,2021).由于光学衍射极限的限制,传统光学手段很难直接测量微纳尺度下的流动与界面现象.利用原子力显微镜的精准操控和小尺度力学测量等优势,结合长针式探针组装成的微流变计可以直接测量气-液-固三相接触线上的毛细力,并监测探针在垂直方向运动中力的动态变化.通过该技术手段,可以实现对流体界面的动力学行为以及各类材料在液体环境中力学性质在微纳尺度的精确表征.文章将系统介绍长针式原子力显微镜技术的实验原理和方法,及其在微纳尺度非理想界面润湿动力学中的最新研究进展,包括低能垒表面毛细力的速度依赖性与非对称性、无序粗糙表面接触线黏滑运动的统计学规律、柔性表面接触线动力学的状态与速度定律、以及离子液体-金属界面处电场对接触角迟滞的调控等,最后展望了该技术在新兴领域中的应用.该实验手段为检验各类理论模型与数值模拟提供了可信数据,为探究界面上复杂现象的物理本质提供参考.

层状金属材料断裂行为的尺度与界面/晶界效应研究

本研究采用三点弯曲实验方法系统地研究了具有不同尺度组元层和界面结构搭配的Cu/Au和Cu/Cr层状材料的断裂行为及其尺度与界面/晶界效应。研究发现,组元性质、尺度和界面/晶界结构是影响金属多层材料变形和断裂行为的主要因素。对于具有"透明"界面的Cu/Au多层材料,其变形和断裂行为表现出显著的尺度效应,而具有"模糊"界面的Cu/Cr多层材料的塑性相对较差,其变形和断裂行为没有明显的尺度效应。基于理论分析,提出了高强高韧层状金属材料的多尺度层状结构设计思路。